Arduino兼容之Stm32單片機(jī)四翼飛行器設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間：2014-09-04 11:02
第一章緒論
1.1選題背景
多旋翼飛行器最早出現(xiàn)于百年前的歐洲，由于其控制算法的復(fù)雜性，超過了當(dāng)時(shí)的科技水平，早期的多旋翼飛行器因性能較差和體積龐大而無法實(shí)用化，僅僅停留于科研階段⑴。近年來由于新材料（碳纖維等)、新型微機(jī)電（MEMS)傳感器、微型慣性導(dǎo)航控制器（MIMU)以及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制算法的不斷發(fā)展和進(jìn)步，以四旋翼飛行器為代表的多旋翼飛行器得以在控制技術(shù)上取得巨大飛躍，開始迅速實(shí)用化產(chǎn)業(yè)化。并呈現(xiàn)小型化微型化的趨勢，逐步在許多行業(yè)薪露頭角，進(jìn)入了人們的生活中。四軸飛行器作為一種有代表性的多旋翼飛行器[3]，具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、控制靈活、飛行穩(wěn)定的特點(diǎn)。因?yàn)樗妮S飛行器比起傳統(tǒng)直升機(jī)更為穩(wěn)定和簡便可靠，幾乎不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)上的問題，它能夠成為非常好的無人機(jī)平臺(tái)，以執(zhí)行一些目前需要小型飛行器來執(zhí)行的任務(wù)，可以進(jìn)入一些不易進(jìn)入的環(huán)境之中進(jìn)行勘察和拍攝等任務(wù)，如火山、地震、洪水災(zāi)區(qū)等。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國內(nèi)外目前也致力于新傳感器技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用。出現(xiàn)了通用的整合一體的傳感器模塊，以及這些模塊小型化微型化，精度也越來越高，使得多軸飛行器的體積大大縮小。新的材料如碳纖維也運(yùn)用于機(jī)架，使得目前機(jī)體重量進(jìn)一步降低，載重和續(xù)航能力進(jìn)一步提高。
……………
第二章四軸飛行器飛行原理、飛行姿態(tài)及濾波算法
2.1四軸飛行器的飛行原理
升降運(yùn)動(dòng)——在圖2-1中，升降運(yùn)動(dòng)實(shí)際上就是飛行器在Z軸方向的上下運(yùn)動(dòng)。我們假設(shè)四軸飛行器處于平穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速完全一樣。此時(shí)同時(shí)使四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速增加，可以讓升力克服機(jī)體重量，使得機(jī)體垂直向上運(yùn)動(dòng)。反之，同時(shí)減小四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，可使機(jī)體垂直下降。當(dāng)四個(gè)旋翼的處于某一個(gè)轉(zhuǎn)速時(shí)，升力和機(jī)體重力相等，此時(shí)飛行器處于平穩(wěn)懸停的狀態(tài)。
2.2四軸飛行器姿態(tài)的表示和運(yùn)算
四軸飛行器的關(guān)鍵在于其空間姿態(tài)的檢測、控制和保持。要表征飛行器在空間中的姿態(tài)，必須建立一個(gè)空間的直角坐標(biāo)系來為其姿態(tài)作出參照，這個(gè)坐標(biāo)系稱為地理坐標(biāo)系。因?yàn)樗妮S活動(dòng)范圍比較小，因此可以將地面視作是水平的平面。在本課題中，我們采用“東北天”地理坐標(biāo)系來作為參照系⑴]:Z軸的正方向指向天頂，負(fù)方向指向地理地面；X軸的正方向指向地理上的正東，負(fù)方向指向地理上的正西；Y軸的正方向指向北面，負(fù)方向指向南面。同時(shí)四軸飛行器本身作為剛體也存在著一個(gè)坐標(biāo)系，稱為機(jī)體坐標(biāo)系（如下圖所示）。四軸飛行器處于平衡狀態(tài)下，飛行器本身的坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系重合，機(jī)體坐標(biāo)系的Z軸與地理坐標(biāo)系的Z軸重合。四個(gè)電機(jī)及中心控制部分都分布在XY平面上。根據(jù)剛體的歐拉旋轉(zhuǎn)定理，四軸飛行器的在空間里飛行姿態(tài)可用歐拉角來表示。歐拉角就是地理坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系。坐標(biāo)系統(tǒng)如圖2-7所示：
飛行器的姿態(tài)，是指在飛行器的正方向的上，用三個(gè)姿態(tài)角即通常所說的歐拉角表示，包括偏航角(yaw)、俯仰角(pitch)和滾轉(zhuǎn)角(roll),如圖2-8。飛行姿態(tài)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)變換，表示機(jī)體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換關(guān)系，我們定義飛行姿態(tài)為機(jī)體坐標(biāo)系向地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。旋轉(zhuǎn)變換有多種表達(dá)和轉(zhuǎn)換的方式，包括方向余弦、歐拉角、四元數(shù)法等。飛行器的姿態(tài)是旋轉(zhuǎn)上的某種變換。由歐拉旋轉(zhuǎn)定理可知，一種姿態(tài)經(jīng)過相互串聯(lián)的一系列旋轉(zhuǎn)可以變?yōu)榱硪粋�(gè)姿態(tài)。如果我們用矩陣表示旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的串聯(lián)就由矩陣乘法來實(shí)現(xiàn)。
………
第三章四軸飛行器的軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)........... 31
3.1 硬件結(jié)構(gòu)框圖........... 31
3.2 硬件電路設(shè)計(jì) ..........32
第四章飛行姿態(tài)控制算法實(shí)現(xiàn) ..........45
4. 1 軟件初始化過程 ............45
第五章總結(jié)與展望...... 65
第四章飛行姿態(tài)控制算法實(shí)現(xiàn)
4.1軟件初始化過程
1、CPU的初始化CPU的初始化主要進(jìn)行MCU本身的設(shè)置和操作，設(shè)定MCU的一些功能處于正確的狀態(tài)或工作模式，主要完成如下幾點(diǎn)：(1)關(guān)閉全局中斷在STM32 maple mini上電后，因?yàn)槟J(rèn)全局中斷是幵啟的，可能會(huì)影響后續(xù)初始化，所以在程序的最開頭先要先將全局中斷關(guān)閉，必要時(shí)再打開。(2)波特率設(shè)為115200,啟動(dòng)串口 1因?yàn)槭褂昧怂{(lán)牙串口模塊，藍(lán)牙模塊BC04的串口 RX、TX端分別和系統(tǒng)板的串口 TX、RX (D26D25)端連接。所以，將串口通信波特率設(shè)置在115200，以方便和藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳上位機(jī)以及遙控功能。(3)初始化IIC總線。IIC總線是溝通MCU和各個(gè)傳感器模塊的主要數(shù)據(jù)通道。根據(jù)STM32 maplemini的數(shù)據(jù)手冊，該系統(tǒng)板上2對(duì)IIC總線接口 SCL、SDA兩線分別為1腳和0腳，還有15腳和16腳。我們選擇15腳和16腳作為IIC總線的接口。(4)初始化PWM輸出狀態(tài)我們利用Maple系統(tǒng)板輸出PWM波，用來控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在arduino標(biāo)準(zhǔn)中，PWM頻率固定在490Hz，但在Maple中，PWM頻率是可調(diào)的，默認(rèn)頻率為550Hz。如連接圖所示，我們設(shè)置D3、D4、D5、D8為輸出PWM信號(hào)的四個(gè)引腳分別輸出到四路PWM控制信號(hào)信號(hào)電機(jī)的四個(gè)MOS驅(qū)動(dòng)管。
4.2四元數(shù)法及其姿態(tài)解算的算法實(shí)現(xiàn)
在主程序中，通過多次調(diào)用四元數(shù)子程序，將三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀計(jì)算得出初步的角度數(shù)據(jù)。這些角度數(shù)據(jù)為平面角度，現(xiàn)在我們需要將角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為歐拉角，以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的結(jié)算。在這里，我們通過四元數(shù)法，先對(duì)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行四元數(shù)計(jì)算，并將四元數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算得到歐拉角。
............
第五章總結(jié)與展望
本課題主要的任務(wù)是在MCU上完成四軸飛行器飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。我們通過對(duì)于姿態(tài)傳感器測得的加速度和角速度讀取，通過使用四元數(shù)法將加速度和角速度運(yùn)算得出四軸飛行器的姿態(tài)角即歐拉角，再通過卡爾曼濾波將得出的歐拉角與原先的角速度進(jìn)行融合和濾波，以消除干擾和累積誤差，最終得出了正確的飛行器姿態(tài)角，并最終成功達(dá)到了使四軸飛行器在室內(nèi)平穩(wěn)飛行的目的。3、研究了四旋翼飛行器的測試飛行數(shù)據(jù)的方法和調(diào)試方法測試平臺(tái)上，我們采用了自制平衡木平臺(tái)來對(duì)四軸飛行器進(jìn)行參數(shù)測試和調(diào)整，主要用以調(diào)試飛行器的PID參數(shù)。軟件上，我們使用了上位機(jī)軟件，和機(jī)載藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，以獲取飛行器的事實(shí)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)。以方便方便進(jìn)行分析和計(jì)算。本課題探索出了一條四軸飛行器低成本小型化通用化的設(shè)計(jì)思路，研究并討論了數(shù)據(jù)濾波融合的兩種種算法，實(shí)現(xiàn)了四元數(shù)和卡爾曼濾波算法，測定了相關(guān)的數(shù)據(jù)。成功實(shí)現(xiàn)了四軸飛行器姿態(tài)的自主穩(wěn)定。為今后多軸飛行器的設(shè)計(jì)和研究創(chuàng)新提供了思路。由于時(shí)間緊迫，并未做到四旋翼飛行器的無需人工遙控的自主飛行控制以及定高定點(diǎn)等功能，這些也是今后努力的方向。
本文編號(hào)：8653
1.1選題背景
多旋翼飛行器最早出現(xiàn)于百年前的歐洲，由于其控制算法的復(fù)雜性，超過了當(dāng)時(shí)的科技水平，早期的多旋翼飛行器因性能較差和體積龐大而無法實(shí)用化，僅僅停留于科研階段⑴。近年來由于新材料（碳纖維等)、新型微機(jī)電（MEMS)傳感器、微型慣性導(dǎo)航控制器（MIMU)以及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制算法的不斷發(fā)展和進(jìn)步，以四旋翼飛行器為代表的多旋翼飛行器得以在控制技術(shù)上取得巨大飛躍，開始迅速實(shí)用化產(chǎn)業(yè)化。并呈現(xiàn)小型化微型化的趨勢，逐步在許多行業(yè)薪露頭角，進(jìn)入了人們的生活中。四軸飛行器作為一種有代表性的多旋翼飛行器[3]，具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、控制靈活、飛行穩(wěn)定的特點(diǎn)。因?yàn)樗妮S飛行器比起傳統(tǒng)直升機(jī)更為穩(wěn)定和簡便可靠，幾乎不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)上的問題，它能夠成為非常好的無人機(jī)平臺(tái)，以執(zhí)行一些目前需要小型飛行器來執(zhí)行的任務(wù)，可以進(jìn)入一些不易進(jìn)入的環(huán)境之中進(jìn)行勘察和拍攝等任務(wù)，如火山、地震、洪水災(zāi)區(qū)等。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國內(nèi)外目前也致力于新傳感器技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用。出現(xiàn)了通用的整合一體的傳感器模塊，以及這些模塊小型化微型化，精度也越來越高，使得多軸飛行器的體積大大縮小。新的材料如碳纖維也運(yùn)用于機(jī)架，使得目前機(jī)體重量進(jìn)一步降低，載重和續(xù)航能力進(jìn)一步提高。
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第二章四軸飛行器飛行原理、飛行姿態(tài)及濾波算法
2.1四軸飛行器的飛行原理
升降運(yùn)動(dòng)——在圖2-1中，升降運(yùn)動(dòng)實(shí)際上就是飛行器在Z軸方向的上下運(yùn)動(dòng)。我們假設(shè)四軸飛行器處于平穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速完全一樣。此時(shí)同時(shí)使四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速增加，可以讓升力克服機(jī)體重量，使得機(jī)體垂直向上運(yùn)動(dòng)。反之，同時(shí)減小四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，可使機(jī)體垂直下降。當(dāng)四個(gè)旋翼的處于某一個(gè)轉(zhuǎn)速時(shí)，升力和機(jī)體重力相等，此時(shí)飛行器處于平穩(wěn)懸停的狀態(tài)。
2.2四軸飛行器姿態(tài)的表示和運(yùn)算
四軸飛行器的關(guān)鍵在于其空間姿態(tài)的檢測、控制和保持。要表征飛行器在空間中的姿態(tài)，必須建立一個(gè)空間的直角坐標(biāo)系來為其姿態(tài)作出參照，這個(gè)坐標(biāo)系稱為地理坐標(biāo)系。因?yàn)樗妮S活動(dòng)范圍比較小，因此可以將地面視作是水平的平面。在本課題中，我們采用“東北天”地理坐標(biāo)系來作為參照系⑴]:Z軸的正方向指向天頂，負(fù)方向指向地理地面；X軸的正方向指向地理上的正東，負(fù)方向指向地理上的正西；Y軸的正方向指向北面，負(fù)方向指向南面。同時(shí)四軸飛行器本身作為剛體也存在著一個(gè)坐標(biāo)系，稱為機(jī)體坐標(biāo)系（如下圖所示）。四軸飛行器處于平衡狀態(tài)下，飛行器本身的坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系重合，機(jī)體坐標(biāo)系的Z軸與地理坐標(biāo)系的Z軸重合。四個(gè)電機(jī)及中心控制部分都分布在XY平面上。根據(jù)剛體的歐拉旋轉(zhuǎn)定理，四軸飛行器的在空間里飛行姿態(tài)可用歐拉角來表示。歐拉角就是地理坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系。坐標(biāo)系統(tǒng)如圖2-7所示：
飛行器的姿態(tài)，是指在飛行器的正方向的上，用三個(gè)姿態(tài)角即通常所說的歐拉角表示，包括偏航角(yaw)、俯仰角(pitch)和滾轉(zhuǎn)角(roll),如圖2-8。飛行姿態(tài)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)變換，表示機(jī)體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換關(guān)系，我們定義飛行姿態(tài)為機(jī)體坐標(biāo)系向地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。旋轉(zhuǎn)變換有多種表達(dá)和轉(zhuǎn)換的方式，包括方向余弦、歐拉角、四元數(shù)法等。飛行器的姿態(tài)是旋轉(zhuǎn)上的某種變換。由歐拉旋轉(zhuǎn)定理可知，一種姿態(tài)經(jīng)過相互串聯(lián)的一系列旋轉(zhuǎn)可以變?yōu)榱硪粋�(gè)姿態(tài)。如果我們用矩陣表示旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的串聯(lián)就由矩陣乘法來實(shí)現(xiàn)。
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第三章四軸飛行器的軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)........... 31
3.1 硬件結(jié)構(gòu)框圖........... 31
3.2 硬件電路設(shè)計(jì) ..........32
第四章飛行姿態(tài)控制算法實(shí)現(xiàn) ..........45
4. 1 軟件初始化過程 ............45
第五章總結(jié)與展望...... 65
第四章飛行姿態(tài)控制算法實(shí)現(xiàn)
4.1軟件初始化過程
1、CPU的初始化CPU的初始化主要進(jìn)行MCU本身的設(shè)置和操作，設(shè)定MCU的一些功能處于正確的狀態(tài)或工作模式，主要完成如下幾點(diǎn)：(1)關(guān)閉全局中斷在STM32 maple mini上電后，因?yàn)槟J(rèn)全局中斷是幵啟的，可能會(huì)影響后續(xù)初始化，所以在程序的最開頭先要先將全局中斷關(guān)閉，必要時(shí)再打開。(2)波特率設(shè)為115200,啟動(dòng)串口 1因?yàn)槭褂昧怂{(lán)牙串口模塊，藍(lán)牙模塊BC04的串口 RX、TX端分別和系統(tǒng)板的串口 TX、RX (D26D25)端連接。所以，將串口通信波特率設(shè)置在115200，以方便和藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳上位機(jī)以及遙控功能。(3)初始化IIC總線。IIC總線是溝通MCU和各個(gè)傳感器模塊的主要數(shù)據(jù)通道。根據(jù)STM32 maplemini的數(shù)據(jù)手冊，該系統(tǒng)板上2對(duì)IIC總線接口 SCL、SDA兩線分別為1腳和0腳，還有15腳和16腳。我們選擇15腳和16腳作為IIC總線的接口。(4)初始化PWM輸出狀態(tài)我們利用Maple系統(tǒng)板輸出PWM波，用來控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在arduino標(biāo)準(zhǔn)中，PWM頻率固定在490Hz，但在Maple中，PWM頻率是可調(diào)的，默認(rèn)頻率為550Hz。如連接圖所示，我們設(shè)置D3、D4、D5、D8為輸出PWM信號(hào)的四個(gè)引腳分別輸出到四路PWM控制信號(hào)信號(hào)電機(jī)的四個(gè)MOS驅(qū)動(dòng)管。
4.2四元數(shù)法及其姿態(tài)解算的算法實(shí)現(xiàn)
在主程序中，通過多次調(diào)用四元數(shù)子程序，將三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀計(jì)算得出初步的角度數(shù)據(jù)。這些角度數(shù)據(jù)為平面角度，現(xiàn)在我們需要將角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為歐拉角，以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的結(jié)算。在這里，我們通過四元數(shù)法，先對(duì)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行四元數(shù)計(jì)算，并將四元數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算得到歐拉角。
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第五章總結(jié)與展望
本課題主要的任務(wù)是在MCU上完成四軸飛行器飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。我們通過對(duì)于姿態(tài)傳感器測得的加速度和角速度讀取，通過使用四元數(shù)法將加速度和角速度運(yùn)算得出四軸飛行器的姿態(tài)角即歐拉角，再通過卡爾曼濾波將得出的歐拉角與原先的角速度進(jìn)行融合和濾波，以消除干擾和累積誤差，最終得出了正確的飛行器姿態(tài)角，并最終成功達(dá)到了使四軸飛行器在室內(nèi)平穩(wěn)飛行的目的。3、研究了四旋翼飛行器的測試飛行數(shù)據(jù)的方法和調(diào)試方法測試平臺(tái)上，我們采用了自制平衡木平臺(tái)來對(duì)四軸飛行器進(jìn)行參數(shù)測試和調(diào)整，主要用以調(diào)試飛行器的PID參數(shù)。軟件上，我們使用了上位機(jī)軟件，和機(jī)載藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，以獲取飛行器的事實(shí)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)。以方便方便進(jìn)行分析和計(jì)算。本課題探索出了一條四軸飛行器低成本小型化通用化的設(shè)計(jì)思路，研究并討論了數(shù)據(jù)濾波融合的兩種種算法，實(shí)現(xiàn)了四元數(shù)和卡爾曼濾波算法，測定了相關(guān)的數(shù)據(jù)。成功實(shí)現(xiàn)了四軸飛行器姿態(tài)的自主穩(wěn)定。為今后多軸飛行器的設(shè)計(jì)和研究創(chuàng)新提供了思路。由于時(shí)間緊迫，并未做到四旋翼飛行器的無需人工遙控的自主飛行控制以及定高定點(diǎn)等功能，這些也是今后努力的方向。
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參考文獻(xiàn)（略）
本文編號(hào)：8653
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